第一章機(jī)械設(shè)計(jì)概論

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教材：《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》主編:李良軍出版社：高等教育出版社，2007

主講：任亨斌

主要參考書目：1汪信遠(yuǎn)主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》，北京:高等教育出版社,20022程光蘊(yùn)主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)書》，北京:高等教育出版社,1999.6楊家軍，張衛(wèi)國主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》，

武漢:華中理工大學(xué)出版社,2002陳國定主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》

北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005第一章機(jī)械設(shè)計(jì)概論1-1機(jī)械及其組成機(jī)械是機(jī)器與機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱。一、機(jī)器及其特征

實(shí)例一內(nèi)燃機(jī)

實(shí)例二機(jī)器人

實(shí)例三工件自動(dòng)載送裝置①人造的實(shí)物組合體（不是天然形成的）；---結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)②各部分有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；----運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)③代替或減輕人類勞動(dòng)完成有用的機(jī)械功或?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、提供或轉(zhuǎn)換信息。-能量觀點(diǎn)通常把能實(shí)現(xiàn)確定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，又能做有用的機(jī)械功或?qū)崿F(xiàn)能量、物料、信息的傳遞與變換的裝置稱為機(jī)器。1.機(jī)器的特征2.機(jī)器的分類根據(jù)所能實(shí)現(xiàn)的功能的不同，機(jī)器可以分為三類：

工作機(jī)器

實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的某種工作或工藝過程，完成有用的機(jī)械功。

動(dòng)力機(jī)器

實(shí)現(xiàn)其它種類的能量與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，如內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓氣機(jī)、渦輪機(jī)等。

信息機(jī)器

實(shí)現(xiàn)其它形式的信息（如電磁、熱、壓力、變形等）與機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息之間的傳遞與轉(zhuǎn)換，如各種計(jì)量裝置、檢測(cè)裝置、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、繪圖機(jī)等。

二、機(jī)器的功能組成①驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：機(jī)械動(dòng)力的來源②執(zhí)行系統(tǒng)：能完成機(jī)械預(yù)期的動(dòng)作③傳動(dòng)系統(tǒng)：把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和功率傳遞給工作機(jī)的中間環(huán)節(jié)④控制系統(tǒng)就其功能而言，一臺(tái)完整的機(jī)器通常由四部分組成：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)潤滑、顯示、照明等輔助系統(tǒng)控制系統(tǒng)傳感器傳感器傳感器三、機(jī)器、機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

①人造的實(shí)物組合體（不是天然形成的）；----結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)②各部分有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；----運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)只能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和力的傳遞與變換的裝置稱為機(jī)構(gòu)。

1.機(jī)構(gòu)的特征組成機(jī)械的各相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)體稱為構(gòu)件。構(gòu)件即為機(jī)械中的運(yùn)動(dòng)單元。

3.構(gòu)件的組成－－零件實(shí)例：內(nèi)燃機(jī)連桿2.機(jī)構(gòu)的組成－－構(gòu)件組成機(jī)械的基本制造單元稱為零件。零件分為通用零件和專用零件。

通用零件包括：

齒輪、螺栓、鍵、花鍵、銷、聯(lián)軸器、離合器；滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承等。

專用零件例如：葉片、犁鏵、槍栓等。注：通用零件是本課程的主要學(xué)習(xí)對(duì)象，而專用零件的設(shè)計(jì)方法應(yīng)在有關(guān)專業(yè)課中學(xué)習(xí)。4.機(jī)器和機(jī)構(gòu)的區(qū)別機(jī)器能作有用功，而機(jī)構(gòu)不能，機(jī)構(gòu)僅能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。兩者之間也有聯(lián)系，機(jī)器是由若干個(gè)機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)，最簡單的機(jī)器只有一個(gè)機(jī)構(gòu)。零件構(gòu)件機(jī)構(gòu)機(jī)器小結(jié):四、本課程的內(nèi)容、地位和任務(wù)通用零部件工作原理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性動(dòng)力特性設(shè)計(jì)計(jì)算2.本課程的地位是一門培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)械設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課。1.本課程的內(nèi)容3.本課程的任務(wù)：（1）認(rèn)識(shí)和了解機(jī)械系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)的功能和工作原理，能正確選擇和使用通用機(jī)械。

（2）了解機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求，基本內(nèi)容、一般程序，掌握常用機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特性，初步具備分析和設(shè)計(jì)常用機(jī)構(gòu)的能力。

（3）掌握通用機(jī)械零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)計(jì)算和維護(hù)等基本知識(shí)，并初步具有設(shè)計(jì)簡單機(jī)械及常用機(jī)械傳動(dòng)裝置的能力。

（4）具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)等有關(guān)技術(shù)資料的能力?！?-2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般程序機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求2.經(jīng)濟(jì)性；3.操作方便，運(yùn)行安全；4.標(biāo)準(zhǔn)化；5.其他方面1.實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，工作可靠；二、機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本要求1.強(qiáng)度2.剛度3.耐磨性4.耐熱性機(jī)器設(shè)計(jì)的一般程序

市場(chǎng)調(diào)研可行性研究原理方案設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)試制試驗(yàn)小批生產(chǎn)試銷投產(chǎn)設(shè)計(jì)任務(wù)書定出最佳方案裝配圖、零件圖、技術(shù)文件樣機(jī)評(píng)價(jià)改進(jìn)考核工藝性收集用戶意見產(chǎn)品銷售三、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般程序

四、機(jī)械設(shè)計(jì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡介1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

2.優(yōu)化設(shè)計(jì)3.可靠性設(shè)計(jì)4.模塊化設(shè)計(jì)5.并行設(shè)計(jì)一、載荷和應(yīng)力分類靜載荷變載荷載荷名義載荷計(jì)算載荷載荷§1-3機(jī)械零件的工作能力2.應(yīng)力分類零件單位面積上所受的力稱為應(yīng)力。1.載荷分類不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力靜應(yīng)力變應(yīng)力應(yīng)力隨機(jī)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力3.穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)

σaσmσmaxσmintσO（1）平均應(yīng)力（2）應(yīng)力幅（3）循環(huán)特性T4.穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力的3種類型（1）非對(duì)稱循環(huán)①定義②循環(huán)特性σaσmσmaxσminTtσO（2）對(duì)稱循環(huán)①定義②循環(huán)特性σσaσmaxσminTtO（3）脈動(dòng)循環(huán)①定義②循環(huán)特性σσaσmaxσmTtO變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生。注意：失效：機(jī)械零件由于某些原因不能正常工作。二、工作能力計(jì)算準(zhǔn)則失效形式：斷裂、塑性變形、過量的彈性變形、疲勞點(diǎn)蝕、磨損、壓潰等。工作能力計(jì)算準(zhǔn)則：1.強(qiáng)度準(zhǔn)則2.剛度準(zhǔn)則3.壽命準(zhǔn)則4.散熱準(zhǔn)則許用應(yīng)力：零件設(shè)計(jì)的最大條件應(yīng)力。三、許用應(yīng)力和安全系數(shù)1.極限應(yīng)力：脆性材料：σlim

為強(qiáng)度極限σb（1）靜應(yīng)力：失效形式為斷裂或塑性變形。塑性材料：σlim

為屈服極限σs（2）變應(yīng)力：失效形式為疲勞破壞。σlim

為疲勞極限σr（如σ-1、σ0）σσrNσrNON0NN0－循環(huán)基數(shù)2.安全系數(shù)查表法計(jì)算法§1-4機(jī)械制造常用材料和熱處理一、常用工程材料簡介

1.鋼

含碳量小于2％的鐵碳合金稱為鋼。

按用途分：按化學(xué)成份分：鋼的分類：結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特種鋼碳素鋼合金鋼低碳鋼中碳鋼高碳鋼在機(jī)械中常用鋼種：

（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：45，用于制造較重要的機(jī)械零件，是機(jī)械制造中廣泛應(yīng)用的鋼種。

（3）合金結(jié)構(gòu)鋼：40Cr，應(yīng)用制造重要的或有特殊要求的機(jī)械零件。

（4）鑄鋼：ZG230-450

（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼：

用于制造一般要求的零件。

鋼的力學(xué)性能：、2.鑄鐵

含碳量大于2％的鐵碳合金稱為鑄鐵。

鑄鐵具有良好的鑄造性、切削加工性、抗壓性、耐磨性和減振性，而且價(jià)格便宜。常用的是灰鑄鐵和球墨鑄鐵。

（1）灰鑄鐵

灰鑄鐵中的碳主要以片狀石墨形式存在，因斷口呈灰色而得名?；诣T鐵常用來制造箱體件。

（2）球墨鑄鐵

球墨鑄鐵中的碳主要以球狀石墨形式存在。球墨鑄鐵經(jīng)球化處理后有的機(jī)械性能比鋼還好，所以常用來制造齒輪、曲柄、連桿、閥體等。

3.有色金屬合金

在金屬中，除了鑄鐵、鋼、黑色金屬外，其它的金屬則為有色金屬。這類金屬具有很多特殊的性能，即良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和減磨性等，因此也具有很多特殊的用途，是機(jī)械制造中不可缺少的材料。

常用的有色金屬有黃銅、青銅和軸承合金。

4.非金屬材料

在非金屬材料中，最常用的是橡膠，它的彈性好，常用來制造緩沖吸振和密封的零件，如膠帶、密封圈和彈簧等。

二、金屬材料的熱處理

鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下，通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，以改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的一種工藝方法。

常用的熱處理方法有：退火、正火、淬火及回火、表面熱處理等。

名稱說明應(yīng)用退火退火是將鋼件（或毛坯）加熱到臨界溫度（一般為723℃）以上30～50℃，保溫一段時(shí)間，然后隨爐一起緩慢冷卻消除鍛、鑄、焊的零、構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力；降低硬度使其易于切削加工；細(xì)化品粒，調(diào)整組織改善機(jī)械性能正火正火是將鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中冷卻，冷卻速度比退火快處理低、中碳鋼及滲碳零件，作用與退火類似淬火淬火是將鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間，然后在水、鹽水或油中（個(gè)別材料在空氣中）急冷下來提高鋼件的硬度和強(qiáng)度，但淬火后鋼材性能變脆，并存在著很大內(nèi)應(yīng)力，所以還需要進(jìn)行低溫回火回火回火是將淬硬的鋼件再加熱到臨界點(diǎn)以下的溫度，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中或油中冷卻下來。根據(jù)回火溫度不同，又分低溫（150～250℃）回火、中溫（300～500℃）回火、高溫（500～650℃）回火消除淬火后的脆性和內(nèi)應(yīng)力，提高鋼件的塑性和韌性，低溫回火硬度可達(dá)HRC55～62，中溫回火硬度可達(dá)HRC35～45，高溫回火硬度可達(dá)HRC23～35調(diào)質(zhì)淬火后再進(jìn)行高溫回火，稱為調(diào)質(zhì)使鋼件獲得較高的韌性和強(qiáng)度。很多中碳鋼制造的零件（如軸類）常用調(diào)質(zhì)處理表面淬火使零件表層有高的硬度和耐磨性，而心部保持原有的強(qiáng)度和韌性。根據(jù)加熱方法不同，分為火焰表面淬火和高頻表面淬火表面淬火常用來處理齒輪、花鍵等零件滲碳將低碳鋼或合金鋼零件置于滲碳劑中，加熱到900～950℃保溫，使碳原子滲入鋼的表面層，然后再淬火和回火增加鋼件的表面硬度和耐磨性，而心部仍保持較好的韌性和塑性，多用于重載荷、受沖擊、耐磨的零件三、材料選擇的基本原則

1.使用要求

（1）機(jī)械性能方面的要求。

（2）物理性能方面的要求。

（3）化學(xué)性能方面的要求。

2.工藝要求

3．經(jīng)濟(jì)要求

本課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法

本課程的幾個(gè)特點(diǎn)：涉及面廣關(guān)系多─因與諸多先修課關(guān)系密切。要求多─強(qiáng)度、剛度、壽命、工藝、重量、安全、經(jīng)濟(jì)性。公式多─計(jì)算多，有解析式、半解析式、經(jīng)驗(yàn)的、半經(jīng)驗(yàn)的及定義式。圖表多─結(jié)構(gòu)圖、分析圖、原理圖、示意圖、曲線圖、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)表。門類多─各類零件，各有特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方法各異。實(shí)踐性強(qiáng)─不僅讀懂書就行，要多聯(lián)系實(shí)際，要注重實(shí)踐性環(huán)節(jié)。無重點(diǎn)─又都是重點(diǎn)，設(shè)計(jì)工作必須詳盡，細(xì)小的疏忽也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故。設(shè)計(jì)問題無統(tǒng)一答案─更多地談?wù)撜l設(shè)計(jì)得更好，要注意發(fā)展求異思維。注意處理好幾個(gè)關(guān)系：零件的設(shè)計(jì)與選用

──零件設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要途徑。設(shè)計(jì)計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

──設(shè)計(jì)決非只是計(jì)算，同學(xué)更應(yīng)重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)。性能要求與經(jīng)濟(jì)性

──永遠(yuǎn)是一對(duì)矛盾，應(yīng)學(xué)會(huì)合理地解決這一對(duì)矛盾。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)

──二者均重要，前者是后者的基礎(chǔ)。具體的設(shè)計(jì)方法與一般的設(shè)計(jì)能力

──前者是學(xué)習(xí)的形式，后者是學(xué)習(xí)的目的。

推桿凸輪推桿凸輪齒輪齒輪齒輪曲軸連桿活塞動(dòng)畫

工業(yè)機(jī)器人注：左鍵單擊圖片可演示視頻機(jī)器人焊接認(rèn)識(shí)機(jī)器3工業(yè)機(jī)器人注：左鍵單擊圖片可演示視頻機(jī)器人去毛刺

工業(yè)機(jī)器人